使用4200A-SCS軟件和矩陣開關(guān)搭建可靠性評(píng)估平臺(tái)

前言

在現(xiàn)代ULSI電路中溝道熱載流子（CHC）誘導(dǎo)的退化是一個(gè)重要的與可靠性相關(guān)的問題。載流子在通過MOSFET通道的大電場加速時(shí)獲得動(dòng)能。當(dāng)大多數(shù)載流子到達(dá)漏極時(shí)，熱載流子（動(dòng)能非常高的載流子）由于原子能級(jí)碰撞的沖擊電離，可以在漏極附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。其他的可以注入柵極通道界面，打破Si-H鍵，增加界面態(tài)密度。CHC的影響是器件參數(shù)的時(shí)間相關(guān)的退化，如VT、IDLIN和IDSAT。

這種通道熱載流子誘導(dǎo)的退化（也稱為HCI或熱載流子注入）在NMOS和PMOS器件上都可以看到，并會(huì)影響所有區(qū)域的器件參數(shù)，如VT、亞閾值斜率、Id-on、Id-off、Ig等。每個(gè)參數(shù)隨應(yīng)力時(shí)間的退化速率取決于器件的布局和所使用的工藝。

圖1. 通道熱載流子退化

CHC退化測(cè)試的過程

一個(gè)典型的通道熱載流子測(cè)試過程包括一個(gè)被測(cè)試器件（DUT）的初始化表征，然后是一個(gè)應(yīng)力和測(cè)量循環(huán)[1]（圖2）。在這個(gè)循環(huán)中，器件承受的電壓高于正常工作電壓的壓力。器件參數(shù)包括IDLIN、IDSAT、VT、Gm等，在應(yīng)力之間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將這些參數(shù)的退化繪制為累積應(yīng)力時(shí)間的函數(shù)。在進(jìn)行此應(yīng)力和測(cè)量回路之前，將測(cè)量同一組器件參數(shù)作為基線值。

圖2 典型的CHC測(cè)試過程

應(yīng)力條件是基于最壞情況下的退化條件，這對(duì)于NMOS和PMOSFET是不同的。通常，對(duì)于漏極電壓應(yīng)力，它應(yīng)小于源極漏極擊穿電壓的90%。然后，在漏極應(yīng)力電壓下，柵極應(yīng)力電壓因晶體管類型和柵極長度而不同。表1顯示了使用不同技術(shù)[2] 創(chuàng)建的NMOS和PMOSFET的最壞情況退化條件。

表1. NMOS和PMOS FETs的最壞情況應(yīng)力條件

使用4200A-SCS半導(dǎo)體表征系統(tǒng)上的IMT可以很容易地確定最壞情況下的應(yīng)力條件。

器件連接

在單個(gè)晶體管上執(zhí)行CHC測(cè)試很容易。然而，每個(gè)CHC測(cè)試通常需要很長時(shí)間才能完成，所以希望有許多dut并行施加壓力，然后在應(yīng)力之間按順序進(jìn)行表征，以節(jié)省時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要一個(gè)開關(guān)矩陣來處理并行應(yīng)力和應(yīng)力之間的順序測(cè)量。圖3顯示了針對(duì)多個(gè)DUT的典型CHC測(cè)試的硬件配置。4200A-SCS提供了應(yīng)力電壓和測(cè)量能力，而開關(guān)矩陣支持并行應(yīng)力和多個(gè)器件的順序測(cè)量。

根據(jù)被測(cè)試器件的數(shù)量，使用可容納一個(gè)矩陣開關(guān)（12個(gè)器件引腳）的708主機(jī)，或者使用最多6個(gè)矩陣開關(guān)（最多72個(gè)引腳）的707主機(jī)。不同柵極和漏極應(yīng)力值的總數(shù)受到系統(tǒng)中SMU數(shù)量的限制。圖4說明了使用8個(gè)SMU（總共8個(gè)不同的漏極和柵極應(yīng)力偏差）加上一個(gè)接地單元（接地端子）并聯(lián)20個(gè)晶體管對(duì)器件進(jìn)行壓力測(cè)試的連接圖。

圖3. 硬件配置連線圖

圖4. 使用8個(gè)SMU并行施加壓力20個(gè)器件的示例。公共端子使用單獨(dú)的接地單元（GNDU）。

確定器件參數(shù)

被監(jiān)測(cè)的熱載流子參數(shù)包括VTH、GM、IDLIN和IDSAT。這些參數(shù)在應(yīng)力之前首先測(cè)量，并在每個(gè)累積應(yīng)力時(shí)間后重新測(cè)量。IDLIN是器件在線性區(qū)域測(cè)量漏極電流，而IDSAT是器件在飽和區(qū)域測(cè)量漏極電流。VTH和GM可以用恒流法或內(nèi)插/外插法來確定。在內(nèi)插/外插法中，VTH是由IDS - VDS曲線的最大斜率來確定。

4200A-SCS的公式編輯器工具大大簡化了這些參數(shù)的提取。內(nèi)置函數(shù)包括微分獲得GM，MAX函數(shù)獲得最大的GM（Gmext），以及最小二乘線擬合函數(shù)提取VTH（Vtext）。計(jì)算這些參數(shù)的公式可以在4200A-SCS提供的HCI項(xiàng)目中找到，并在測(cè)試庫中的相應(yīng)的測(cè)試中找到。這些公式的一些例子包括：

GM = DIFF(DRAINI,GATEV)

GMEXT = MAX(GM)

VTEXT = TANFITXINT(GATEV, DRAINI, MAXPOS (GM))

最后一個(gè)公式（VTEXT）是ID-VG曲線在最大GM點(diǎn)處的切線擬合的x截距。一旦這些參數(shù)從各個(gè)測(cè)試中計(jì)算出來，它們就可以通過選中“輸出值”選項(xiàng)中的復(fù)選框來導(dǎo)出，以監(jiān)測(cè)應(yīng)力時(shí)間的退化。對(duì)于每個(gè)測(cè)試，都可以選擇退出選項(xiàng)，允許系統(tǒng)跳過該器件，或者在器件出現(xiàn)故障時(shí)停止整個(gè)CHC測(cè)試。有關(guān)這些選項(xiàng)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱完整的4200A-SCS參考手冊(cè)。

設(shè)置應(yīng)力條件

在4200A-SCS軟件的吉時(shí)利Clarius版本中增強(qiáng)的功能之一是項(xiàng)目樹結(jié)構(gòu)中可以增加一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，可以施加電壓和電流應(yīng)力。用戶可以利用應(yīng)力循環(huán)在預(yù)設(shè)時(shí)間上設(shè)置直流應(yīng)力。每個(gè)周期的應(yīng)力時(shí)間可以以線性或?qū)?shù)的方式進(jìn)行設(shè)置（見圖5）。該特性用于CHC/HCI、NBTI、EM（電遷移率）和電荷捕獲應(yīng)用，以提供恒定的直流應(yīng)力（電壓或電流）。在應(yīng)力 / 測(cè)量模式下，用戶可以為被測(cè)器件的每個(gè)終端設(shè)置應(yīng)力條件（圖6）。在每個(gè)應(yīng)力周期之后，4200A-SCS經(jīng)過一個(gè)測(cè)量序列，其中可以包括任意數(shù)量和類型的用戶定義的測(cè)試和參數(shù)提取。這些參數(shù)隨時(shí)間的退化情況被繪制在應(yīng)力圖中。4200A-SCS 的“工具包”體系結(jié)構(gòu)為用戶在創(chuàng)建測(cè)試序列和壓力測(cè)量方面提供了巨大的靈活性。

對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)，可以設(shè)置一個(gè)目標(biāo)退化值（圖6）。一旦該參數(shù)的退化超過了目標(biāo)值，特定的測(cè)試將停止。通過消除不必要的壓力和測(cè)量故障器件上的周期，將會(huì)節(jié)省了大量的時(shí)間。

圖5. 應(yīng)力循環(huán)設(shè)置頁面

(圖片源自4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀界面）

圖6. 器件應(yīng)力/引腳連接/退化目標(biāo)值設(shè)置窗口

(圖片源自4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀界面）

如果項(xiàng)目中定義了多個(gè)DUT，則可以使器件壓力設(shè)置窗口中的“上一個(gè)器件”和“下一個(gè)器件”按鈕在器件之間進(jìn)行切換（圖6）。“復(fù)制”和“粘貼”按鈕可以用于將壓力設(shè)置從一個(gè)器件復(fù)制到另一個(gè)器件中，而不需要在所有輸入字段中重新輸入所有信息。由于多個(gè)器件在不同的應(yīng)力配置中并行施加應(yīng)力，因此很難將所需的不同應(yīng)力的數(shù)量和可用于應(yīng)用它們的SMU的數(shù)量聯(lián)系起來。按下“檢查資源”按鈕，可以很容易地確定是否有足夠的SMU來處理所有涉及的壓力，并查看這些SMU是如何分配給每個(gè)不同的壓力的。如果開關(guān)矩陣連接到系統(tǒng)上，并且如果終端上的應(yīng)力為0V，則默認(rèn)使用接地單元。

圖7a顯示了一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)表（圖7a），它可以合并到相應(yīng)的應(yīng)力設(shè)置窗口中，以保存有關(guān)周期指數(shù)、應(yīng)力時(shí)間和從應(yīng)力之間的測(cè)量中提取的監(jiān)測(cè)參數(shù)的信息，如ID和VT。數(shù)據(jù)將以Excel文件格式（.xls）自動(dòng)保存在項(xiàng)目目錄中，將數(shù)據(jù)以文本或Excel文件的形式導(dǎo)出到其他位置。如果系統(tǒng)處于應(yīng)力/測(cè)量模式，監(jiān)測(cè)參數(shù)相對(duì)于預(yù)應(yīng)力測(cè)量的退化會(huì)自動(dòng)計(jì)算，并可以繪制在圖7b中。有關(guān)更多壓力測(cè)量的信息，在Clarius軟件中提供的功能，請(qǐng)查閱完整的4200A-SCS參考手冊(cè)。

a)

b)

圖7. a) 應(yīng)力數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)所有應(yīng)力信息，包括應(yīng)力期間的測(cè)量結(jié)果和應(yīng)力之間測(cè)量的選定參數(shù)。b) 退化百分比數(shù)據(jù)作為應(yīng)力時(shí)間函數(shù)的圖

(圖片源自4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀界面）

建立CHC項(xiàng)目

下面的步驟概述了構(gòu)建CHC項(xiàng)目的典型過程。有關(guān)每個(gè)步驟的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考完整的4200A-SCS參考手冊(cè)。

■1. 創(chuàng)建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

a. 確定開關(guān)矩陣是否可用

b. 確定是否有足夠的SMU可用

c. 構(gòu)建項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

■2. 在應(yīng)力之間建立測(cè)試

a. 如果使用了開關(guān)矩陣，進(jìn)行開關(guān)連接。

b. 使用ITM構(gòu)建新的測(cè)試

c. 使用公式器工具計(jì)算器件參數(shù)

d. 在合理?xiàng)l件下設(shè)置退出

e. 對(duì)于監(jiān)測(cè)退化，導(dǎo)出監(jiān)測(cè)的參數(shù)值

f. 重復(fù)步驟b到步驟e，以監(jiān)控更多的參數(shù)

■3. 如果有多個(gè)DUT，則重復(fù)步驟2。

■4. 在子項(xiàng)目中，設(shè)置應(yīng)力條件。

a. 設(shè)置壓力時(shí)間

b. 設(shè)置器件應(yīng)力條件

i. 應(yīng)力電壓

ii. 引腳連接

iii. 目標(biāo)退化值

iv. 進(jìn)入下一個(gè)器件

■5. 運(yùn)行項(xiàng)目并檢查退化數(shù)據(jù)

參數(shù)退化數(shù)據(jù)和原始測(cè)量數(shù)據(jù)在項(xiàng)目運(yùn)行期間自動(dòng)以Excel文件格式保存。因此，即使項(xiàng)目在完成前就停止了，也已經(jīng)捕獲了測(cè)量數(shù)據(jù)。應(yīng)力之間的原始I-V曲線可以疊加在應(yīng)力循環(huán)上，所以很容易看到I-V是如何作為應(yīng)力時(shí)間的函數(shù)而退化的。圖8顯示了覆蓋21個(gè)應(yīng)力循環(huán)后的Vgs-Id曲線。

圖8. 多個(gè)應(yīng)力的疊加數(shù)據(jù)圖

(圖片源自4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀界面）

圖9是一個(gè)在晶圓片上測(cè)試五個(gè)位置的CHC項(xiàng)目的例子。4200A-SCS通過與市場上最常見的半自動(dòng)探針臺(tái)兼容的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序控制探針臺(tái)的移動(dòng)。

圖9. 晶圓級(jí)CHC測(cè)試的范例

(圖片源自4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀界面）

結(jié)論

Clarius軟件中增強(qiáng)的應(yīng)力測(cè)量循環(huán)可以輕松設(shè)置CHC測(cè)試。結(jié)合交互式測(cè)試界面、公式工具和強(qiáng)大的圖形功能，Clariu軟件使4200A-SCS成為評(píng)估器件可靠性參數(shù)的理想工具，如CHC誘導(dǎo)的MOSFETs退化，以及它在器件表征中更廣為人知的作用。